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문제 정의
- 본 연구에서는 R.F. magnetron sputtering을 이용하여 IZO 박막을 증착하였으며, 증착 온도(상온 및 300℃) 및 주입되는 산소의 유량 변화가 박막의 구조적, 전기적, 및 광학적 특성에 어떠한 영향 미치는 것인가를 자세히 규명하였다.
제안 방법
- IZO박막의 구조적인 특성을 규명하기 위해서 X-ray diffraction (RIGAKU, RTP300RC)과 FESEM (JEOL, JSM7500F) 분석을 시행하였다. 광학적 투과도는 ultraviolet - spectrophotometer (Varian, cary-500)으로 측정하였으며 비저항, 전하 농도, 전하 이동도 등의 전기적 특성은 홀 효과 측정법 (hall effect measurement) (HMS-3000)로 측정하였다.
- 광학적 투과도는 ultraviolet - spectrophotometer (Varian, cary-500)으로 측정하였으며 비저항, 전하 농도, 전하 이동도 등의 전기적 특성은 홀 효과 측정법 (hall effect measurement) (HMS-3000)로 측정하였다. IZO박막의 표면학적 이해를 위해 AFM (PUCOTECH, MOD-1M) 분석을 시행하였다.
- 코팅용 유리기판으로는 Corning 7059 glass를 사용하였다. 챔버 내의 반응성 가스에 따른 박막의 특성을 알아보기 위하여 Ar 가스의 유량은 40 sccm 으로 고정하였고 산소의 유량비는 0.1 ~ 0.5 sccm 으로 변화시켰다. 박막의 두께는 여러 특성의 정확한 비교분석을 위해 200 nm로 고정했으며 최적의 투명 전도성 박막의 공정 조건을 찾기 위해 공정 변수 이외에 증착 막에 영향을 줄 수 있는 그 밖의 공정 조건은 아래 Table 1에 나타내었다.
대상 데이터
- IZO 박막은 지름이 3 inch인 In2O3/ZnO (90/10 wt.%) 타겟을 사용하여 R.F. 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 코팅용 유리기판으로는 Corning 7059 glass를 사용하였다.
- 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 코팅용 유리기판으로는 Corning 7059 glass를 사용하였다. 챔버 내의 반응성 가스에 따른 박막의 특성을 알아보기 위하여 Ar 가스의 유량은 40 sccm 으로 고정하였고 산소의 유량비는 0.
이론/모형
- IZO박막의 구조적인 특성을 규명하기 위해서 X-ray diffraction (RIGAKU, RTP300RC)과 FESEM (JEOL, JSM7500F) 분석을 시행하였다. 광학적 투과도는 ultraviolet - spectrophotometer (Varian, cary-500)으로 측정하였으며 비저항, 전하 농도, 전하 이동도 등의 전기적 특성은 홀 효과 측정법 (hall effect measurement) (HMS-3000)로 측정하였다. IZO박막의 표면학적 이해를 위해 AFM (PUCOTECH, MOD-1M) 분석을 시행하였다.
성능/효과
- (1) XRD 측정 결과 상온에서 증착된 IZO 박막은 챔버 내의 산소 유량과 상관없이 안정적인 비정질 구조를 형성하였으며, 300℃에서 증착된 IZO 박막은 (222) 방향으로 우선 성장한 결정구조를 형성하였다.
- (2) 산소 도입량이 증가함에 따라 표면 거칠기가 점차 감소하였다.
- (3) 산소의 도입량이 증가함에 따라 산소 공공의 감소로 인해 캐리어 농도가 감소했으며 그에 따른 비저항이 증가하였다. 반면, 증착 온도에 따라서 전하이동도의 뚜렷한 변화 경향을 보이지는 않았으며 비정질 IZO 박막의 이동도가 결정질 IZO 박막의 이동도에 비해 높은 값을 나타내었다.
- (4) 증착된 모든 IZO 박막은 챔버 내의 증착 분위기에 관계없이 가시광 영역에서 83% 이상의 광 투과율을 보였다. 또한 산소 도입량에 따라서 광투과율이 증가하였는데, 이는 IZO 박막의 표면 거칠기가 작아지기 때문었다.
- 측정 결과를 살펴보면 비정질 IZO 박막과 마찬가지로 산소의 도입량이 증가할수록 특히, 450 ~ 550 nm의 파장 영역에서 투과율이 증가하는 경향을 볼 수 있다. 550 nm의 파장에서 무산소 분위기에서 증착된 결정질 IZO 박막의 투과율은 83.98%이며 0.5 sccm 주입된 박막의 경우 87.55%로 증가하였다. 이러한 결정질 IZO 박막의 투과율 변화는 결정의 크기나 표면형상과 직접적으로 관계가 있으며 결정이 커지고 표면 거칠기가 감소할수록 광투과율은 증가하게 된다고 알려져 있다[14].
- 4(c)는 산소 도입량에 따른 비정질 IZO 박막과 결정질 IZO 박막의 전하이동도(µ) 변화를 나타낸 것이다. 두 가지의 기판온도 모두 이동도에는 뚜렷한 변화 경향을 나타내지 않으며 비정질 IZO 박막의 이동도가 결정질 IZO 박막의 이동도에 비해 높은 것으로 나타났다.
- 또 무산소 분위기에서 증착한 IZO 박막의 경우 2θ 각 약 50.7o 부근에서 In2O2(440)에 해당하는 미세 피크가 성장됐음을 확인할 수 있었다.
- 5 sccm에서 증착 된 결정질 IZO 박막의 이미지이다. 모든 산소 도입량 조건에서 결정질 구조의 표면 형상을 나타내고 있지만 산소 유량이 증가할수록 결정성이 감소하다가 0.5 sccm을 주입했을 경우엔 거의 비정질 구조의 형상과 유사한 것을 확인할 수 있다. 이는 결정질 IZO 박막의 증착 시 미량의 산소가 도입되어 IZO 박막에 존재하는 산소 공공을 채워 화학양론적 물질의 박막을 형성했을 시 Fig.
- 5(a)는 다양한 산소 분위기에서 증착된 비정질 IZO 박막의 광투과율 측정 결과이다. 무산소 분위기에서 성막된 reference 시편의 경우 550 nm 파장 때에서 86.07%의 광투과율을 보였으며 산소 도입량이 0.1 sccm에서 0.5 sccm으로 증가하면서 그에 따른 광투과율은 88.08%에서 98.99%까지 점차적으로 증가하였다. Fig.
- (3) 산소의 도입량이 증가함에 따라 산소 공공의 감소로 인해 캐리어 농도가 감소했으며 그에 따른 비저항이 증가하였다. 반면, 증착 온도에 따라서 전하이동도의 뚜렷한 변화 경향을 보이지는 않았으며 비정질 IZO 박막의 이동도가 결정질 IZO 박막의 이동도에 비해 높은 값을 나타내었다.
- 비정질 IZO 박막의 경우 산소를 도입하지 않았을 때의 비저항이 9.13 × 10−4Ωcm의 값을 나타냈으며, 산소 도입량이 증가할 경우 비저항이 점차 증가하다가 0.5 sccm에서는 비저항이 1.76 × 10−2 cm까지 급격하게 증가하였다.
- 5 sccm에서 증착 된 비정질 IZO 박막의 이미지이다. 산소 도입량이 증가함에 따라 미세한 차이로 표면거칠기가 점차 감소하여 0.5 sccm이 도입되었을 시 1.07 nm로 가장 낮은 표면거칠기 값을 확인할 수 있다. 이러한 표면 표면거칠기의 감소는 과량으로 유입되는 산소들로 인해 스퍼터링에 관여하는 입자들이 영향을 받기 때문이라 사료된다.
- 5(b)는 다양한 산소 분위기에서 성막 된 결정질 IZO 박막의 광투과율 측정 결과이다. 측정 결과를 살펴보면 비정질 IZO 박막과 마찬가지로 산소의 도입량이 증가할수록 특히, 450 ~ 550 nm의 파장 영역에서 투과율이 증가하는 경향을 볼 수 있다. 550 nm의 파장에서 무산소 분위기에서 증착된 결정질 IZO 박막의 투과율은 83.
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